Terwijl COVID-19 dit jaar de wereld overspoelde, honderdduizenden levens geëist, het werd al snel duidelijk dat een essentiële factor voor het beheersen van de verspreiding het vermogen is om snel en nauwkeurig te testen op het virus dat het veroorzaakt, SARS-CoV-2, evenals de antilichamen die het produceert.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de Universiteit van New Mexico en de Autonome Universiteit van Madrid (UAM) in Spanje hebben een nieuwe studie gepubliceerd die volgens hen zou kunnen bijdragen aan snellere en effectievere tests voor virussen zoals SARS-CoV-2. Hun werk, getiteld "Super- en Subradient Lattice Resonances in Bipartite Nanoparticle Arrays, " werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Onder leiding van universitair docent Alejandro Manjavacas van de Theoretical Nanophotonics Group van het UNM Department of Physics and Astronomy, en Antonio Fernańdez-Dominguez van UAM, het werk valt onder het domein van nanofotonica, het veld dat de interacties bestudeert tussen licht en objecten met afmetingen in de orde van honderden nanometers. Als referentie, de dikte van een mensenhaar is ongeveer 40, 000 nm, terwijl de grootte van het virus dat COVID-19 veroorzaakt 125 nm is.

Veel toepassingen van nanofotonica, inclusief ultragevoelige biosensing, die nodig is om virussen zoals SARS-CoV-2 te detecteren, en laserstralen op nanoschaal, die kan worden gebruikt om coherent licht van een gewenste kleur te produceren, vertrouwen op systemen die alleen reageren op een zeer beperkt aantal kleuren, of, met andere woorden, golflengten van licht. Een manier om systemen te ontwerpen met spectraal smalle reacties zoals deze, is door gebruik te maken van de collectieve interacties tussen een verzameling metalen nanodeeltjes, kleine structuren met afmetingen op nanoschaal, gerangschikt op een geordende manier, een periodieke reeks genoemd.

In de studie, de onderzoekers keken specifiek naar periodieke arrays die nanodeeltjes van twee verschillende groottes bevatten, in plaats van meer gebruikelijke regelingen met volledig uniforme regelingen.

"Het samenspel tussen de twee verschillende nanodeeltjes geeft aanleiding tot nog nauwere reacties dan arrays met deeltjes van slechts één grootte, " zegt Alvaro Cuartero-González, een afgestudeerde student van UAM en hoofdauteur van het papier. "En, als een toegevoegde bonus, het maakt ze robuuster tegen fabricage-onvolkomenheden, dus arrays met de gewenste respons kunnen gemakkelijker in laboratoria worden gebouwd."

Deze verhoogde robuustheid kan een enorm verschil maken als het gaat om massaproductie van tests of andere apparaten die gebruikmaken van de optische respons van deze systemen.

Dit opwindende werk omvatte een combinatie van semi-analytische berekeningen en rigoureuze numerieke simulaties, uitgevoerd door de synergetische samenwerking van drie afgestudeerde studenten Cuartero-González, die UNM bezochten tussen september 2019 en februari 2020, evenals Stephen Sanders en Lauren Zundel, beide van de UNM-afdeling Natuur- en Sterrenkunde.

"Onze semi-analytische voorspellingen geven inzicht in de fysica achter onze resultaten, terwijl de numerieke berekeningen hielpen om hun geldigheid te bevestigen, " zei Sanders over het werk. "De sleutel tot het begrijpen van de robuustheid van het systeem komt van onze berekeningen voor eindige systemen, ", voegde Zundel eraan toe.

"Het combineren van de expertise van de twee groepen was essentieel voor het succes van dit werk, " zei Manjavacas over de samenwerking.

Fernández-Dominguez is het daarmee eens, toevoegen, "Ik hoop dat dit slechts het begin is van vele samenwerkingen tussen ons."